钻分级注水泥器井口改进装置及应用

平恩顺，刘玉洲，王林，张建华，李楠，黄其，任秋军

（中国石油渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300283）

钻分级注水泥器井口改进装置及应用

平恩顺，刘玉洲，王林，张建华，李楠，黄其，任秋军

（中国石油渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津300283）

针对钻分级注水泥器施工过程中不能准确控制加压载荷，易造成循环过程中钻压过大，钻头进尺过慢等问题，提出了一种钻分级注水泥器井口改进装置。首先介绍了螺杆钻具的工作原理及输出特性，然后分析了螺杆钻具的基本性能，从钻压和排量两方面来考虑提出了一种井口装置改进的新方法。最后以刘7-8H井成功实践为例，表明了该方法具有较广泛的应用前景。

分级注水泥器；钻塞；螺杆钻具；钻压；排量；井口改进装置

分级注水泥器是水平井筛管顶部注水泥完井工艺的重要工具，一般与管外封隔器、盲板配合完成分级固井工艺［1］，使用该工具可降低注水泥泵压，提高固井质量［2］。钻分级注水泥器是试油作业中常见的施工工序，固井结束后，需要下钻头钻磨掉分级注水泥器附件（滑套、胶塞和盲板），保持井筒畅通［3，4］。目前该施工工序使用油管连接螺杆钻具+六棱钻头下至分级注水泥器位置，采用动力液正循环六棱钻头对分级注水泥器进行正循环钻冲，钻冲过程中不关闭双闸板防喷器下部半封闸板，依靠自封封井器内胶皮与井内管柱的紧密接触实现对井内环空的密封，从而保证钻塞施工的顺利进行。但现场施工时，常因井架不正、自封内胶皮磨损等原因，不能实现自封对井内环空的密封，进而将管柱下至适当位置后常采取关闭双闸板防喷器下部半封闸板的方法来密封环空，进行钻分级注水泥器施工。采用这种方式密封环空后，钻分级注水泥器施工过程中不能直观观察加压载荷，且部分加压载荷由半封闸板胶皮承担，机手不能准确控制加压载荷，易造成循环过程中钻压过大，钻头进尺过慢，钻塞难度增大等诸多问题，延长了施工周期，降低了施工效率，且易对半封闸板胶皮造成磨损，缩短胶皮使用寿命。根据以上工况，在原有井口装置的基础上进行改进，在防喷器与自封间加装导管，采用这样的井口装置进行正循环钻冲，施工过程中不仅可以合理调节循环过程中的钻压，将钻压调节至螺杆钻具最佳工作效率，而且有利于控制井口回压，保障安全连续钻进的需要，进而有效提高钻分级注水泥器的施工效率。

1　螺杆钻具的工作原理及输出特性

1.1螺杆钻具结构及工作原理

螺杆钻具（见图1）是以液体压力为动力的一种井下工具，其由旁通阀总成、防掉总成、电动机总成、万向轴总成和传动轴总成五大部分组成［5］。其工作原理是通过高压钻井液流经旁通阀进入电动机，在电动机进出口形成一定压差驱动转子绕定子轴线旋转，并将电动机产生的扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而进行钻塞作业［6］。螺杆钻具的性能主要取决于螺杆电动机，其作用是把钻井液的水力能通过螺杆电动机转化为钻头的机械能。

1.2螺杆钻具的输出特性

图1　螺杆钻具的结构［5］

螺杆钻具是一种基于莫锘原理的容积式井下动力机械。在不计损失时，根据容积式机械工作过程中的能量守恒，单位时间内钻头输出的机械能（Ttωt）等于螺杆电动机输入的水力能（ΔpQt），则有［7-9］：

根据容积式机械的转速关系，有：

当地层各向异性小且井眼保持清洁状况时［10］，螺杆钻具所需机械功率Pt可用钻压Wt表示为［11］：

联立式（4）和（5）可得：

式中：Tt-螺杆电动机理论转矩，N·m；ωt-钻头理论角速度，rad/min；Δp-螺杆电动机进、出口的压力降，MPa；Qt-流经螺杆电动机的流量，即钻井液排量，m3/s；nt-钻头理论转速，即电动机输出的转速，r/min；q-螺杆电动机每转排量，是一个结构参数，m3/r；Pt-螺杆钻具功率，kW；kb-地层硬度系数；Wt-钻压，kN；db-钻头直径，m；x，y-常数指数。

由以上各式分析可以得出螺杆钻具的两个基本性能：

（1）理论转矩Tt与电动机进、出口间的压降Δp成正比。电动机的输出扭矩与电动机的压降成正比。正常工作状态下，钻井液压降随钻压的增大而增大。随着钻压逐步增加，钻井液循环压力逐渐上升，钻井液压降也相应增大，扭矩增加的同时也增加了井底切削力矩；未达到临界钻压前，螺杆钻具转速只是稍有下降，继续增加钻压，当钻压达到临界钻压，钻井液在电动机两端产生的压降达到临界值时，螺杆钻具转速急剧降低到零，发生制动现象。这种情况对工具损害极大，应尽力避免。

（2）理论转速nt与钻井液排量Qt成正比而与钻压无关。一般在钻进过程中，流进螺杆钻具的钻井液排量是不变的，螺杆钻具转速只与流量有关而受钻压影响很小，因此螺杆钻具转速基本不变，不会因为加大钻压而使钻头转速明显减小。

理论扭矩Tt和理论转速nt是螺杆钻具最主要的输出参数，一起构成了螺杆钻具能量转换的载体［12］。因此只要根据修井机上指重表控制加压载荷，水泵车上流量表控制泵送流量，就可以控制螺杆钻具的扭矩Tt和转速nt［13］，体现出正循环钻冲过程中巨大的优越性。

2　井口改进装置

结合现场实际情况，经过反复实践对井口装置进行了改进（见图2）。在双闸板防喷器与自封间加装导管，井口改进装置自下而上的连接顺序依次为双闸板防喷器，导管，自封，其中导管出口经皮绒管连接井口15 m3循环罐。正循环钻冲过程中环空返出的液体可从导管流出经皮绒管进入到循环罐过滤后继续使用，导管出口大小满足循环需求即可。

采取改进后的井口装置连接，钻冲时不需要对井内环空进行密封，可真正实现正循环钻冲过程中不关闭闸板防喷器半封闸板的要求。应用井口改进装置，钻分级注水泥器施工过程中可直观观察加压载荷，做到准确控制加压载荷，进而可以合理调节循环过程中的钻压，将钻压调节至螺杆钻具最佳工作效率，保证螺杆钻具的高效工作。另一方面，随着排量的增加井口回压逐渐减小，排量越大回压的调节范围也越小，对井口回压的控制也就越容易［14］，不仅可以提高携岩效果，避免造成卡钻事故，而且有利于快速钻进，保障井控安全及连续钻进的需要。

图2　井口改进装置示意图

3　现场应用

2015年11月26日，改进后的井口装置在大港油田刘7-8H井进行了现场应用。该井油层套管为Φ139.7 mm，造斜井深500 m，完钻井深1 902 m，水平位移940.86 m，分级注水泥器位置斜深1 683.32 m～1 884.97 m，最大井斜角92.7°，井眼轨迹较为复杂。刘7-8H井筛管顶部注水泥固井完井施工中，油层套管全井下入至井口，油层套管下部连接分级注水泥器、管外封隔器的精密复合滤砂管，通过盲板+管外封隔器+分级注水泥器的管柱结构进行筛管顶部注水泥固井作业［15-17］。管柱结构自下而上依次设计为：Φ139.7 mm引鞋+ Φ139.7 mm洗井阀+Φ139.7 mm短套管+Φ139.7 mm精密复合滤砂管串+Φ139.7 mm短套管+Φ200 mm裸眼封隔器（视地层情况而定）+Φ139.7 mm短套管+ Φ139.7 mm精密复合滤砂管串+Φ139.7 mm盲板+ Φ190 mm管外封隔器（封隔地层、承托水泥）+Φ168 mm分级注水泥器+Φ139.7 mm套管串至井口（见图3）。

图3　筛管顶部注水泥固井完井管柱

根据设计要求，施工人员下入Φ73 mm加厚油管+ Φ95 mm螺杆钻具+Φ118 mm六棱钻头对分级注水泥器及盲板进行正循环钻冲（见图4）。第一次施工时采用未改进的井口装置-双闸板防喷器上部连接自封。下管柱及工具至分级注水泥器位置后，水泥泵车以密度为1.17 g/cm3的KCl溶液正循环钻冲，自封密封效果不好，漏水严重，屡次对修井机井架进行调节，自封密封效果仍不好，进而在管柱下至适当位置后，采取关闭双闸板防喷器下部半封闸板封闭井内环空进行正循环钻冲，钻冲加压负荷不能直观看出，水泥车泵压较高，钻头工作效率低进尺很慢，分级注水泥器最后的37 cm进尺不明显，严重减缓了作业时间。

11月27日，应用井口改进装置后对分级注水泥器的最后37 cm进行正循环钻冲（见图5）。施工过程中，由于未关闭双闸板防喷器下部半封闸板，机手可根据指重表的变化情况准确控制加压载荷，为防止管柱倒转，将加压控制在20 kN以内，水泥车泵压控制在8 MPa～10 MPa以内，进尺较明显，15 h将分级注水泥器顺利钻开。钻分级注水泥器井口改进装置在刘7-8H井的成功应用，不仅有效提高了工作效率，而且明显减少了作业时间，极大缩短了完井施工周期。

图4　Φ95 mm螺杆钻具+Φ118 mm六棱钻头

图5　井口改进装置

4　结论与认识

（1）理论转矩和理论转速是螺杆钻具最主要的输出参数。理论转矩与电动机进出口间的压降成正比，理论转速与钻井液排量成正比而与钻压无关。实际输出转速随钻压的增加而降低，当达到临界钻压时，螺杆钻具转速急剧降低到零，发生制动现象。

（2）应用钻分级注水泥器井口改进装置，不仅可以合理调节循环过程中的钻压，将钻压调节至螺杆钻具最佳工作效率，保证螺杆钻具的高效工作，而且有利于控制井口回压保障安全连续钻进的需要，进而有效提高钻分级注水泥器的施工效率。

（3）钻分级注水泥器井口改进装置方法简单，安全可靠，可有效提高钻分级注水泥器的工作效率，缩短施工周期，降低生产成本，应用前景广阔，具有极高的推广价值。

（4）钻分级注水泥器井口改进装置完善了水平井常规油管下动力钻塞技术，为大斜度水平井施工作业提质增效奠定坚实基础。

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The improvement and application of the wellhead device for drilling stage cementing distributor

PING Enshun，LIU Yuzhou，WANG Lin，ZHANG Jianhua，LI Nan，HUANG Qi，REN Qiujun
（Downhole Technology Service Company，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300283，China）

Aiming at the issue that during the construction process of drilling stage cementing distributor，the pressure load cannot be controlled accurately lead to too much bit pressure and too slow drill footage.One method of wellhead improvement device for drilling stage cementing distributor was proposed.First of all，the working principle and output characteristics of screw drill were introduced.Then，the basic properties of screw drilling were analyzed.A new method of wellhead device improvement was proposed considering two points of view bit pressure and displacement.Finally，the successful practice of well Liu7-8H is taken as an example to well indicate the more extensive application prospects for this method.

stage cementing distributor；drilling plug；screw drill；bit pressure；displacement；wellhead improvement device

TE921.4

A

1673-5285（2016）09-0025-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.006

2016－07-19

中国石油渤海钻探分公司项目“可降解材料在封隔器元件中的应用研究”，项目编号：2016JXJF-07。

平恩顺（1986-），工程师，2015年博士毕业于河北工业大学机械制造及其自动化专业，工学博士学位，现主要从事油气田储层增产措施改造方面的研究工作，邮箱：pingenshun@163.com。